Séismes et sismologie

SÉISMES ET SISMOLOGIE

Organisation et contenu du mémoire

Le premier chapitre est consacré à l’état des connaissances sur les séismes et la sismologie. Un historique des phénomènes sismiques qui ont frappé le Québec est présenté, suivi d’une revue des dommages qu’ont subis les églises. L’information de base de cette recherche est complétée par la revue de la littérature du chapitre 2 qui concerne les méthodes expérimentales d’évaluation de la vulnérabilité sismique des églises. Ces méthodes proviennent principalement d’Europe, notamment de l’Italie, de la Suisse et de la France. Elles sont comparées aux recommandations des normes et des guides techniques canadiens. Le chapitre 3 présente l’inventaire réalisé à Montréal et la caractérisation globale des églises. Il débute avec l’histoire de l’évolution de l’architecture religieuse qui a mené à une homogénéité des caractéristiques et des techniques de construction.

Ces édifices sont regroupés en quatre classes typologiques caractéristiques de l’inventaire et compatibles à des modèles dont la vulnérabilité sismique est connue. Nous présentons l’information relative à l’analyse structurale des bâtiments : la géométrie, l’agencement des composantes structurales, les caractéristiques des matériaux, et une analyse succincte des effets de certaines composantes non structurales. Le chapitre 4 est consacré à l’analyse comparative de la capacité des macroéléments, façade principale et de transept et tour-clocher. Ce choix est fait en fonction de la haute vulnérabilité de ces éléments et de leurs effets stabilisateurs sur le reste de la structure. Ils représentent également des symboles à conserver dans le cadre de la conversion éventuelle des édifices religieux de plus en plus recommandée dans un contexte de sauvegarde du patrimoine.

Cette analyse est menée afin de faire ressortir les corrélations possibles entre les typologies présentes au Québec et les mécanismes probables de rupture. Au chapitre 5, nous proposons une méthode rapide d’évaluation de la vulnérabilité d’une église avec le tracé de courbes de vulnérabilité. La méthode s’inspire de l’échelle macrosismique européenne (EMS-98), du mode de pointage du Groupe national de défense contre les séismes de l’Italie (GNDT) et de l’approche de gestion du risque appliquée aux villes européennes (RISK-UE). Un formulaire d’évaluation rapide de la vulnérabilité est proposé. Compte tenu de l’intérêt, à l’échelle du Québec, apporté aux églises construites avant 1945, une présentation succincte des outils de collecte et des sources d’information existants complète le chapitre.

Magnitude

La magnitude d’un séisme est une valeur intrinsèque du phénomène qui ne dépend pas du point d’observation. C’est en 1935, que l’Américain Charles Francis Richter introduit une méthode qui permet d’estimer l’énergie libérée au foyer d’un tremblement de terre. On parle alors, de l’échelle de Richter qui est utilisée partout dans le monde. C’est une échelle logarithmique calculée à partir de l’amplitude des enregistrements de sismographes. Elle peut être négative ou positive et, en principe, a une limite supérieure de 10. Lorsque la magnitude d’un séisme varie d’un facteur 1, l’amplitude du mouvement varie d’un facteur 10. Par exemple, un séisme de magnitude 7 est dix fois plus fort qu’un séisme de magnitude 6 et mille fois plus fort qu’un séisme de magnitude 4. Il existe d’autres échelles selon que l’on veuille mesurer des séismes locaux ou éloignés.

Elles prennent en compte l’instrumentation utilisée et les modifications engendrées par les effets de site. Par exemple, la magnitude du moment sismique, Mw, est principalement utilisée par les sismologues pour mesurer les événements de forte magnitude puisqu’elle ne comporte pas de limite supérieure. Le moment sismique Mo « quantifie l’énergie mécanique rayonnée par la source sismique » (Lestuzzi et Badoux, 2008). Selon la provenance des ondes sismiques, on utilise également les échelles mesurant la magnitude des ondes de surface MS et des ondes de volume mb ; ces dernières entraineront les plus importants dommages aux structures. La réalité du Québec et de l’Est de l’Amérique en général, où les ondes se propagent avec une atténuation et une profondeur moindre, a amené l’établissement de l’échelle de Magnitude Nuttli (mN) pour laquelle une relation permet de la convertir en magnitude du moment sismique MW et vice-versa.

Au niveau local

Il est reconnu que les conditions géotechniques locales peuvent avoir une influence déterminante sur l’amplification des ondes sismiques. Tout comme l’aléa régional, l’effet de site devrait idéalement être considéré de manière probabiliste dans un contexte d’évaluation de la vulnérabilité sismique (Nollet, 2004). À l’opposé, une approche déterministe se baserait sur la reproduction d’un effet, historiquement connu, dans le futur (Voir annexe II, p. 148). Le manque de données statistiques et l’incertitude liée aux résultats obtenus de l’approche déterministe sont des facteurs limitatifs. Le Code national du bâtiment du Canada 2005 (IRC-CNRC, 2005) propose un aléa pour l’ensemble du territoire habité, donné de manière générale pour une catégorie de site de référence de classe C. Un microzonage de l’île de Montréal a été effectué ces dernières années (Chouinard et al., 2004). Les cartes développées renseignent sur la répartition des catégories d’emplacements sur l’île et la vitesse moyenne de cisaillement Vs des sites, leur gamme de fréquence naturelle et les effets potentiels d’amplification des accélérations horizontales à la surface, constituant une base pour la gestion du risque sismique de l’île. Des travaux similaires ont également été réalisés pour la ville de Québec (LeBoeuf et Nollet, 2006) et sont en cours de réalisation pour les villes d’Ottawa (RNC, 2009a) et Vancouver2 à l’instar de plusieurs grandes villes du monde.

L’amplification des ondes sismiques

Au Québec, on explique l’importance des dommages enregistrés à des distances situées entre 150 km à 300 km de l’épicentre des séismes par la présence d’épaisses couches argileuses ou de dépôts meubles (Bruneau et Lamontagne, 1994; Gouin, 2001; Karray, 1994; Lamontagne, 2008; Mitchell, Tinawi et Law, 1990). Ce phénomène d’amplification des secousses est caractéristique des séismes de l’Est du Canada et peut également causer, à l’épicentre de séismes de magnitude aussi faible que 5,6, des dégâts importants aux bâtiments en maçonnerie non armée (Mitchell, Tinawi et Law, 1990). Le sismologue Maurice Lamontagne définit ainsi les séismes du Québec : « des séismes modérés avec des épicentres dans la région immédiate et des séismes violents à des distances épicentrales entre 100 et 150 km causant des dommages » (Lamontagne, 2008, p. 12). Ceci se traduit par des vibrations de hautes fréquences causant peu de dommage à proximité de l’épicentre alors qu’à des distances plus grandes, les basses fréquences atteindront plus rapidement la période des bâtiments communs aux villes québécoises (Adams et Atkinson, 2003; Halchuk, Adams et Anglin, 2007; Lamontagne, 2008).

Des données désagrégées ont été calculées pour différentes villes du Canada et permettent de déduire les caractéristiques des séismes : distance (D) et magnitude (M) qui causeront le plus de dommages pour une période fondamentale donnée. Le Tableau 1.2 montre ces caractéristiques pour trois villes québécoises pour la probabilité de 2% sur 50 ans retenue par le CNBC 2005 et pour un site de classe C. Par exemple, pour La Malbaie et Québec, le séisme qui causerait le plus de dommage à une structure de période 1,0 s est de plus forte magnitude et située à une distance supérieure comparée aux déductions faites pour une structure de période 0,2 s. Dans le cas de Montréal, seule la magnitude du séisme change.L

TABLE DES MATIÈRES

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 SÉISMES ET SISMOLOGIE – NOTIONS DE BASE
1.1 Notion de séisme
1.2 Mesure des séismes
1.2.1 Magnitude
1.2.2 Intensité
1.3 Aléa sismique
1.3.1 Au niveau régional
1.3.2 Au niveau local
1.4 Risque sismique
1.5 Historique des séismes au Québec
1.6 Effets des séismes sur les structures d’églises en maçonnerie non armée au Québec
1.6.1 L’église de Rivière-Ouelle
1.6.2 L’église de Shawinigan
1.6.3 Causes des dommages enregistrés
1.7 Effets des séismes sur les structures d’église en maçonnerie non armée ailleurs dans le monde
1.8 Synthèse de la revue de littérature et prochaines étapes
CHAPITRE 2 PRINCIPES DE L’ÉVALUATION DE LA VULNÉRABILITÉ SISMIQUE DES ÉGLISES EN MAÇONNERIE NON-ARMÉE
2.1 Méthode d’évaluation basée sur l’échelle macrosismique européenne (EMS-98)
2.1.1 Évaluation du risque sismique : Approche RISK-UE (Giovinazzi, 2005; Lagomarsino et al., 2000)
2.1.2 Procédure intégrée d’évaluation de la vulnérabilité de bâtiments historiques : Méthode FaMIVE (D’Ayala et Speranza, 2002)
2.2 Méthode d’évaluation par pointage
2.2.1 La procédure rapide d’évaluation sismique visuelle FEMA 154, États-Unis
2.2.2 La méthode de pointage du Conseil national de recherches du Canada
2.2.3 La méthode GNDT, Italie
2.3 Approche analytique basée sur des modèles simples
2.3.1 Comportement hors-plan d’un mur en maçonnerie non armée
2.3.2 Comportement dans le plan d’un mur en maçonnerie non armée
2.3.3 Modes de rupture et vulnérabilité des macroéléments
2.3.4 Principes des méthodes d’évaluation de la résistance des macroéléments
2.3.5 Évaluation de la probabilité des dommages – (Augusti, Ciampoli et Zanobi, 2002)
2.3.6 Évaluation de la capacité équivalente de cisaillement (Italie) – (D’Ayala, 2000; D’Ayala et al., 1997; D’Ayala et Speranza, 2003)
2.3.7 Vulnérabilité de la cathédrale de Sion (Suisse) – (Devaux et Lestuzzi, 2005)
2.3.8 Vulnérabilité des bâtiments de la ville de Bâle (Suisse) – (Lang, 2002)
2.3.9 Étude d’un mur en maçonnerie non armée – (Paulay et Priestley, 1992)
2.4 Prise en compte de la spécificité canadienne
2.4.1 Recommandations du Code national du bâtiment du Canada 2005
2.4.2 Recommandations des Travaux publics et services gouvernementaux du Canada – (TPSGC, RPS et Technology, 2000)
2.5 Synthèse de la revue de littérature et approches retenues
CHAPITRE 3 INVENTAIRE TYPOLOGIQUE DES ÉGLISES DE L’ÎLE DE MONTRÉAL
3.1 Définition du territoire de l’étude
3.2 Sources d’information de l’inventaire
3.3 Historique de la construction des églises au Québec
3.3.1 Architecture religieuse sous le Régime français (1600-1760)
3.3.2 Architecture religieuse après la Conquête (1760-1850)
3.3.3 Architecture religieuse entre 1850 et 1945
3.4 Typologie des églises de l’inventaire
3.4.1 Selon l’année de construction
3.4.2 Selon le classement au patrimoine
3.4.3 Selon le plan au sol
3.4.4 Selon les caractéristiques de la maçonnerie
3.5 Diagnostic général de l’ensemble
3.5.1 Les défauts au niveau de l’enveloppe
3.5.2 Les défauts au niveau de la maçonnerie
3.6 Analyse des dispositions constructives agissant sur le système de résistance aux forces sismiques
3.6.1 La toiture et les assemblages de charpente
3.6.2 Les arches
3.6.3 Les fondations
3.6.4 Les éléments non structuraux
3.7 Effets des travaux de consolidation sur la réponse
3.8 Synthèse de l’inventaire
CHAPITRE 4 ANALYSE DE LA RÉPONSE SISMIQUE DES MACROÉLÉMENTS CRITIQUES
4.1 Choix et adaptation des procédures d’analyse
4.1.1 Procédure d’analyse de la façade
4.1.2 Procédure d’analyse de la tour
4.2 Propriétés de la maçonnerie
4.3 Analyse du comportement des façades
4.3.1 Typologie des façades
4.3.2 Facteurs de vulnérabilité
4.3.3 Vulnérabilité hors-plan
4.3.4 Vulnérabilité dans le plan
4.3.5 Récapitulatif des résultats
4.4 Analyse du comportement des tours
4.4.1 Typologie des tours
4.4.2 Facteurs de vulnérabilité
4.4.3 Modélisation
4.4.4 Caractéristiques des accélérogrammes utilisés
4.4.5 Caractéristiques du système à cinq degrés de liberté
4.4.6 Résultats de l’analyse modale
4.4.7 Résultats de l’analyse dynamique
4.4.8 Discussion des résultats de l’analyse dynamique
4.4.9 Analyse énergétique et discussion des résultats
CHAPITRE 5 VULNÉRABILITÉ SISMIQUE DES ÉGLISES
5.1 Choix et adaptation de la procédure d’analyse
5.2 Attribution d’un indice de vulnérabilité de base
5.3 Identification des facteurs de modification
5.4 Courbes de vulnérabilité
5.5 Inventaire des outils disponibles pouvant servir de base à une évaluation
5.5.1 Projet de modélisation des églises de la ville de Québec
5.5.2 Le « carnet de santé »
5.6 Formulaire d’évaluation de la vulnérabilité sismique
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I MÉTHODOLOGIE DE RECHERCHE BASÉE SUR LE CADRE DE BASILI
ANNEXE II DÉTERMINATION DE L’ALÉA SISMIQUE
ANNEXE III NIVEAUX DE DOMMAGES SELON L’EMS-98
ANNEXE IV DOMMAGES ENREGISTRÉS AUX ÉGLISES EN MAÇONNERIE
ANNEXE V FACTEURS DE MODIFICATION DE LA VULNÉRABILITÉ
ANNEXE VI MÉCANISMES D’EFFONDREMENT DES MACROÉLÉMENTS D’UNE ÉGLISE
ANNEXE VII TYPOLOGIE DES FAÇADES ET MÉCANISMES DE RUPTURE
ANNEXE VIII FORMULAIRE DE CALCULS DU MOMENT RÉSISTANT ET DE LA CAPACITÉ ÉQUIVALENTE DE CISAILLEMENT
ANNEXE IX INVENTAIRE DES ÉGLISES DE MONTRÉAL CONSTRUITES AVANT 1945
ANNEXE X BUDGET DE RESTAURATION DU PATRIMOINE
ANNEXE XI ÉVOLUTION DES TECHNIQUES DE PRÉPARATION DES MORTIERS
ANNEXE XII GÉOMÉTRIE DES FAÇADES ÉTUDIÉES
ANNEXE XIII RÉSULTATS DES ANALYSES DES FAÇADES
ANNEXE XIV RÉSULTATS DES ANALYSES DES TOURS
ANNEXE XV GUIDE POUR L’ATTRIBUTION D’UNE CLASSE DE PLAN AU SOL
ANNEXE XVI ÉVALUATION DE LA VULNÉRABILITÉ DE L’ÉGLISE SAINTE-BRIGIDE [93]
BIBLIOGRAPHIE

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